JP2018020304A - キャビテーションせん断装置及びこれを利用したキャビテーションせん断混合システム - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションせん断装置混合システムの提供。【解決手段】インペラーに複数の放射方向高速噴流と複数の周方向高速噴流を同時に生成する複数の複合高速噴流発生ブレード３１６と、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階で衝突・剪断させて１次マルチ剪断噴流を生成する複数のキャビテーション剪断チャンバ３２０と、前記１次マルチ剪断噴流をさらに剪断衝突させて２次マルチせん断噴流を生成する環状せん断壁部材３２６と、前記２次マルチせん断噴流をインペラー１２の外周に隣接して存在している前記被処理流動体中に剪断しながら噴出・混合させる複数の放射方向剪断ノズル３４０とを備え、前記キャビテーションせん断装置によって前記被処理流動体に遠心力を作用させながら前記放射方向高速噴流と前記周方向高速噴流を生成し、被処理流動体を混合するキャビテーション剪断装置。【選択図】図４

Description

本発明はキャビテーションせん断装置及びこれを利用したキャビテーションせん断混合システムに関する。

従来、炭酸水、酸素水、水素水等の飲料水において、炭酸ガス、酸素ガス、水素ガス等の気体を液体に溶解させる技術や異種の流体（例えば、液体と液体、或いは、固体としての粒体や粉体等と液体）を混合・撹拌して混合流動体を均一に極微細化又は乳化する技術に注目が高まっている。一方、各種の食品の製造には、液体（含ゲル状や粘性液体）と異種液体との均一混合の工程が必須用件となっており、効率的な攪拌、混合、混練等が可溶化や乳化の技術に注目が集まっている。一方、機械加工分野では、地球環境保護の観点から塩素フリーやオゾンフリーの切削油剤（クーラント液）が求められた結果、塩素やオゾンが使えなくなり、クーラント液が腐食して悪臭が発生する新たな環境問題が多発している。その有効な対策として、大気から分離した窒素を利用してこれを水に溶解させて生成した殺菌効果の高い安全な窒素ナノバブル水の利用が注目されている。

例えば、特許文献１にはハニカム状の開口部を有する第１混合エレメントと、ハニカム状の開口部を有する第２混合エレメントとを対向配置して蛇行しながら放射方向に流動する攪拌混合流路を形成して被処理流動体（ここでは、燃料油と水）を蛇行させながら分流と混合を繰り返しながら流出させるようにした回転式攪拌混合器が開示されている。

特許文献２には一対の撹拌体を対抗配置して両撹拌体の間に形成した撹拌流路を介して流入口から流入した流体を放射線方向に通過させながら混合する撹拌装置が開示されている。

日本特許第４５３３９６９号公報 日本特許第５２４３３４１号公報

ところで、特許文献１及び２で開示された混合撹拌装置では、特許文献６の静止型流体混合装置では、第１混合エレメントと第２混合エレメントに形成した撹拌流路又は流路形成用空間をなす多数の小室は気液混合流が通過する流路断面積が極めて小さい構造となり、しかも、ジグザグ通路が互い違いに直角の流路からなっているため、撹拌流路又は流路形成用空間の流路抵抗が大きくなり、気液混合流の流量を増大させることが困難となり、大量の気体溶解水を効率的に製造することが困難であった。例えば、特許文献１の混合撹拌装置を利用して酸素ガスを被処理水に溶解して酸素ナノバブル水を生成してうなぎ養殖池のＤＯ（溶存酸素量）を改善させる試みがなされたが、大量処理が困難なことから、ＤＯ（溶存酸素量）を増加させることができなかった。この問題を解消するためには、装置全体が必然的に大型構造とならざるを得ず、そのため、装置の生産コストを下げることができず、設備費の償却期間が長いものとなり、消費電力も増大し、経済的なメリットが小さくなり、産業界に広く普及させることは困難であった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な構造で、低消費電力で被処理流動体の大量処理化が可能なキャビテーションせん断装置及びこれを利用したキャビテーションせん断混合システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１局面によるキャビテーションせん断装置は、駆動源により回転駆動されて被処理流動体をせん断しながら攪拌混合するインペラーと、前記インペラーの中央部から径方向外側に延びていて、前記被処理流動体に遠心力を作用させながら複数の放射方向高速噴流を生成するとともに、前記複数の放射方向高速噴流の一部をそれぞれ周方向に噴出させて複数の周方向高速噴流を生成する複数の複合高速噴流発生ブレードと、前記複数の複合高速噴流発生ブレードの間に区画されていて複数のキャビテーションせん断ピンを有し、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階でキャビテーションと同時に衝突・せん断させて１次マルチせん断噴流を生成する複数のキャビテーションせん断チャンバと、前記複数のキャビテーションせん断チャンバの外縁部において前記インペラーに形成されていて前記１次マルチせん断噴流をさらにせん断衝突させて２次マルチせん断噴流を生成する環状せん断壁部材と、前記環状せん断壁部材の周方向に所定間隔で径方向に形成されていて、前記２次マルチせん断噴流を前記インペラーの外周に隣接して存在している前記被処理流動体中にせん断しながら噴出・混合させる複数の放射方向せん断ノズルとを備えることを特徴とする。

本発明の第２局面によるキャビテーションせん断混合システムは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のキャビテーションせん断装置と、被処理流体と被処理原料との被処理流動体を前記キャビテーションせん断装置に供給する被処理流動体供給部と、を備え、前記キャビテーションせん断装置が前記被処理流動体に遠心力を作用させながら放射方向高速噴流を生成するとともに、前記放射方向高速噴流の一部を周方向に噴出させて周方向高速噴流を生成し、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階に衝突・せん断させて前記被処理流動体を混合攪拌することを特徴とする。

発明によれば、簡単な構造で、低消費電力で被処理流動体の大量処理化が可能なキャビテーションせん断装置及びこれを利用したキャビテーションせん断混合システムを提供することが可能となる。

図１は、本発明のキャビテーションせん断装置を利用したキャビテーションせん断混合システムの概略断面図を示す。図１において、キャビテーションせん断混合システムは、例えば、炭酸ガス、酸素ガス、水素ガス及び窒素ガス等の気体のうち、少なくとも１つの気体Ｇを被処理水にナノバブル状態で溶解して炭酸ナノバブル水、酸素ナノバブル水又は窒素ナノバブル水を生成するものとして記載されるが、本発明はこれら用途に限定されるものではなく、他にも多くの用途がある。例えば、食品、飲料、化粧品、医薬品、衛生材料等の製造や、淡水浄化・排水浄化等の環境分野及び農業・水産養殖の用途等における液体への気体の分散、溶解および可溶化、液体への異種液体の分散、溶解、可溶化及び乳化（エマルジョン化）のための処理装置として利用可能である。また、各種食品の製造にも有効であり、液体（含ゲル状や粘性液体）と異種液体との均一混合の工程において、効率的な攪拌、混練等が可溶化や乳化する際にも有用である。ここで、ナノバブル状態で溶解する気体溶解水（ナノバブル水）とは、極微小気泡（ナノバブル）の直径が１０ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下で、ナノバブルの平均直径が、好ましくは、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲に属し、ナノバブル数が１ｍＬ当たり１億個以上含む気体溶解水のことを意味する。気体のナノバブルの直径および直径分布については、英国Ｎａｎｏｓｉｇｈｔ社製ＮＡＮＯＳＩＧＨＴで測定することができる。

キャビテーションせん断混合システム２００は、被処理水（被処理流体）Ｗを一時的に貯蔵する被処理水（被処理流体）保持タンク２０２と、給水（被処理流体供給）ポンプ２０４と、給水管（被処理流体供給配管）２７４と、気体（被処理原料）流量調整弁２７５と、気体（被処理原料）供給管２７６と、被処理水（被処理流体）Ｗｏと気体（被処理原料）Ｇとの被処理流動体（被処理流動体）Ｗｇを生成して供給する被処理流動体（被処理流動体）供給部２８６と、被処理流動体（被処理流動体）供給配管２７２と、キャビテーションせん断装置４００と、吐出パイプ２６８と、処理水（処理流動体）Ｗｎを貯留するリサーバータンク３５０と、余剰ガスＧｅを排出するガス排出管３５２と、処理水（処理流動体）流量調整弁３５４と、処理水（処理流動体）吐出管３５６とを備える。処理水（処理流動体）吐出管３５６は利用目的に応じて各種の利用施設に接続される。

キャビテーションせん断混合システム２００の作用において、給水ポンプ２０４とモータＭが起動されると、被処理水Ｗｏが給水管２７４を通過しながら、気体Ｇを気体供給管２７６から吸引し、被処理流動体生成部２８０で被処理水Ｗｏと気体Ｇとの被処理流動体Ｗｇが生成される。この時、被処理流動体Ｗｇは被処理流動体供給配管２７６を介してキャビテーションせん断装置４００に導入される。後述のごとく、キャビテーションせん断装置４００は、被処理流動体としての被処理流動体Ｗｇに遠心力を作用させながら放射方向高速噴流を生成するとともに、周方向高速噴流を生成しながら被処理流動体Ｗｇを多段階でせん断・衝突・気泡破裂（乳化）することにより極微小気泡を有する気体溶解水を生成する。

図２はキャビテーションせん断装置４００の断面図を示す。図２において、キャビテーションせん断装置４００はキャビテーションせん断ユニット３００を収納する断面Ｃ−型環状ハウジング２５０と、環状ハウジング２５０を密閉する円形蓋部材２５２とを有し、円形蓋部材２５２はボルト等の固定手段２５４により環状ハウジング２５０に固定支持される。キャビテーションせん断ユニット３００のボス部３１２ａはモータの駆動軸２１２ａに連結されていて、駆動軸２１２ａはベアリング２６０、２６２により回転支持される。

環状ハウジング２５０は流動体混合部２５６として機能する流動体混合室２５８を有する。環状ハウジング２５０の内周にはキャビテーションせん断ユニット３００の外周に近接して環状ショルダー２５０ａが形成され、流動体混合室２５８に流入した被処理流動体（被処理流動体）Ｗｇを吸引部２５８を介してインペラー３１２の複数の吸引口３１２ｂ及びカバー３１４の吸引口３１４ａ（図４参照）に案内している。環状ショルダー２５０ａの中央部には環状通路２６４が形成されている。環状ハウジング２５０の上端部には処理水（処理流動体）Ｗｎを吐出するためのアウトレット２６６が形成され、吐出パイプ２６８を介して処理水の利用施設（図示せず）に供給される。

環状ハウジング２５０の下端部には被処理流動体（被処理流動体）供給インレット２７０が形成され、これら被処理流動体供インレット２７０の上流側は配管２７２を介して被処理水Ｗの供給パイプ２７４に接続され、被処理水供給パイプ２７４に気体（被処理原料）供給ポート２７６が接続される。配管２７２の合流地点で被処理水Ｗｏと気体Ｇとの被処理流動体（被処理流動体）Ｗｇを生成する被処理流動体（被処理流動体）生成部２８０が形成される。

キャビテーションせん断装置４００の作用において、被処理水供給パイプ２７４を介して被処理水Ｗｏが供給され、一方、気体供給ポート２７６から気体Ｇが供給され、被処理流動体生成部２８０で被処理流動体Ｗｇが生成される。被処理流動体Ｗｇは配管２７２から被処理流動体供給インレット２７０に流入して気液（被処理流動体）混合室２５８に導入される。この時、被処理流動体Ｗｇはキャビテーションせん断ユニット３００の内部に案内され、前述したように、複合高速噴流発生ブレード３１６（図４参照）の遠心作用を受けて高速化され、マルチ段階でせん断、衝撃及び気泡破裂が繰り返し実行され、極微小気泡のナノバブル処理水Ｗｎが生成される。ナノバブル処理水Ｗｎは吐出パイプ２６８を介してナノバブル処理水の利用装置（図示せず）に供給される。

図３及び図４において、キャビテーションせん断ユニット３００は、駆動源２１２の出力軸２１２ａにより支持されたボス部３１２ａと被処理流動体Ｗｇを吸引する複数の吸引口３１２ｂを有するインペラー３１２と、インペラー３１２の上面をカバーしていて中央部に被処理流動体Ｗｇを吸引する吸引口３１４ａを有する環状カバー３１４とを備える。インペラー３１２はボス部３１２ａの回転軸とほぼ垂直な平面においてから径方向外側に延びていて被処理流動体Ｗｇに遠心力を作用させる複数の複合高速噴流発生ブレード３１６を有する。複数の複合高速噴流発生ブレード３１６は吸引口３１４ａに隣接した位置においてインペラー３１２の中央部付近においてインペラー３１２の中央部から径方向に向けて略直線状に延びる直行ラジアル壁部３１６ａと、直行ラジアル壁部３１６ａの外周端部から径方向に後退傾斜する斜向ラジアル壁部３１６ｂとを有る。直行ラジアル壁部３１６ａが径方向に延びていることにより、インペラー３１２の回転に伴い被処理流動体Ｗｇを吸引口３１２Ｂ、３１４ａから掻込み易くして被処理流動体Ｗｇの吸い込みを的確に行わせることができる。斜向ラジアル壁部３１６ｂは、インペラー３１２内において被処理流動体Ｗｇに効果的に遠心力を作用させながら、あたかも被処理流動体Ｗｇをキックさせるように押し出し付勢することができ、被処理流動体Ｗｇの放射方向への加圧送出を行なう。

図４より明らかなように、キャビテーションせん断ユニット３００は、さらに、複数の複合高速噴流発生ブレード３１６の間にそれぞれ周方向に等間隔で区画されたキャビテーションせん断チャンバ３２０を有する。キャビテーションせん断チャンバ３２０は複合高速噴流発生ブレード３１６による遠心力の作用により被処理流動体Ｗｇを強力な加圧下で放射方向に移動させて被処理流動体Ｗｇから複数の放射方向高速噴流Ｗｊを生成する。複数の斜向ラジアル壁部３１６ｂには径方向に等間隔で周方向に開口するように複数の周方向噴射ノズル３２２がそれぞれ形成されている。インペラー３１２が時計方向Ｃｗに回転する際に、周方向噴射ノズル３２２を介して放射方向高速噴流Ｗｊの一部が一方のキャビテーションせん断チャンバ３２０から他方のキャビテーションせん断チャンバ３２０に周方向高速噴流Ｗｓとして噴出する。周方向高速噴流Ｗｓは放射方向高速噴流Ｗｊと衝突するため、これら高速噴流Ｗｓ、Ｗｊの気泡が衝突・破裂・せん断されて微細化される。

キャビテーションせん断チャンバ３２０にはそれぞれ多数のキャビテーションせん断ピン３２４が軸方向に立設されており、多数のキャビテーションせん断ピン３２４に対して放射方向高速噴流Ｗｊ及び周方向高速噴流Ｗｓが衝突してせん断され、さらに、吸引口から流入する被処理流動体Ｗｇと放射方向高速噴流Ｗｊ及び周方向高速噴流Ｗｓが多段にわたって衝突せん断される。このように、キャビテーションせん断チャンバ３２０は被処理流動体Ｗｇと放射方向高速噴流Ｗｊ及び周方向高速噴流Ｗｓを多段にわたって衝突・せん断・気泡破裂させることで気泡を極微小気泡（ナノバブル）とする。被処理流動体が異種の液体からなる場合は、被処理流動体は効果的に乳化（エマルジョン化）される。

キャビテーションせん断ユニット３００は複数のキャビテーションせん断チャンバ３２０の外縁部に隣接してインペラー３１２に形成されていて、１次放射方向高速噴流Ｗｊをさらにせん断衝突させて極微細気泡を有する２次せん断処理気液混合噴流を生成するための環状せん断壁部材３２６を備える。環状せん断壁部材３２６は、複数の複合高速噴流発生ブレード３１６の外周縁に形成された第１せん断環状壁部３２８と、インペラー３１２の外周縁に形成された第２せん断環状壁部３３０と、第１せん断環状壁部３２８と第２せん断環状壁部３３０との間に形成され環状せん断チャンバ３３２とを備える。

第１せん断環状壁部３２８の周方向に沿って所定間隔で複数の径方向噴射せん断ノズル３３４が形成されている。極微小気泡を有する放射方向高速噴流Ｗｊは径方向噴射せん断ノズル３３４を介して環状せん断チャンバ３３２へ放射方向に径方向ナノバブルジェット流Ｗｎ１として噴射される。第１せん断環状壁部３２８の外周と第２せん断環状壁部３３０の内周には複数のせん断突起３３６，３３８が環状せん断チャンバ３３２に径方向に延びており、せん断突起３３６の外径はせん断突起３３８の外径よりもわずかに小さく設計される。第２せん断環状壁部３３０の周方向には所定感覚で複数の径方向噴射せん断ノズル３４０が形成されている。径方向ナノバブルジェット流Ｗｎ１は第２せん断環状壁部３３０の内周に衝突・微細化された後に、環状せん断チャンバ３３２を周方向に移動する際に、複数のせん断突起３３６，３３８によりさらなるせん断作用を受けて微細化されとナノバブルとなる。こうして微細化されとナノバブルを有する径方向ナノバブルジェット流Ｗｎ２が第２せん断環状壁部３３０の径方向噴射せん断ノズル３４０を介して被処理流動体中に噴射され、その際、第２せん断環状壁部３３０の外周によってもせん断作用を受ける。このようにして、処理流動体が少なくとも１０ｍ／秒以上の放射方向高速噴流となるため、放射方向高速噴流と周方向高速噴流が高速度で衝突し、この時生じる高速噴流同士の衝撃力による剪断作用や、それら衝撃力と剪断力による被処理水中の気体から生じる超音速のキャビテーション作用によって衝撃波が発生して気泡が破裂する。その際、処理流動体は超音速度でせん断、衝撃及び気泡破裂が繰り返し実行され、処理流動体は平均直径が１０ｎｍ以上１μ以下の極微小気泡（ナノバブル）を有するようになる。こうして気泡が破裂する際には、処理流動体に含まれている微生物や細菌などを微粉砕して死滅させることもできる。

本発明のキャビテーションせん断混合システムは気体溶解装置としての１例が記載されたが、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、エマルジョン装置、化学その他異種原料の可溶化装置、食品製造の混錬装置として利用してもよい。また、キャビテーションせん断装置において、キャビテーションせん断ユニットは１段構成のものとして記載されたが、ハウジング内に複数段のキャビテーションせん断ユニットを収納して被処理流動体を複数段のキャビテーションせん断ユニットに流入させて気泡の極微少化や原料の乳化を促進させてもてもよい。なお、キャビテーションせん断装置は単一のインペラーを有するものとして記載したが、該インペラーを軸方向に２分割して一方のエレメントをステータとして固定し、他方のエレメントを一方のエレメントに対向配置してロータとして回転させてもよい。

本発明の実施形態によるキャビテーションせん断混合システムの概略断面図である。 図１に示したキャビテーションせん断装置の概略断面図である。 図２に示したキャビテーションせん断ユニットの正面図である。 図３に示したキャビテーションせん断ユニットの一部切り欠き上面図である。

２０２…被処理流体保持タンク；２０４…被処理流体供給ポンプ；２５０…ハウジング；２５６…吸引部；２７６…被処理流体供給配管；２８０…被処理流動体生成部；３００…キャビテーションせん断ユニット；３１２…インペラー；３１４…環状カバー；３１６…複合高速噴流発生ブレード；３２０…キャビテーションせん断チャンバ；３２２…周方向噴射ノズル；３２４…キャビテーションせん断ピン；３２６…環状せん断壁部材

Claims (4)

1. 駆動源により回転駆動されて被処理流動体をせん断しながら攪拌混合するインペラーと、
   前記インペラーの中央部から径方向外側に延びていて、前記被処理流動体に遠心力を作用させながら複数の放射方向高速噴流を生成するとともに、前記複数の放射方向高速噴流の一部をそれぞれ周方向に噴出させて複数の周方向高速噴流を生成する複数の複合高速噴流発生ブレードと、
   前記複数の複合高速噴流発生ブレードの間に区画されていて複数のキャビテーションキャビテーションせん断ピンを有し、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階でキャビテーションと同時に衝突・せん断させて１次マルチせん断噴流を生成する複数のキャビテーションせん断チャンバと、
   前記複数のキャビテーションせん断チャンバの外縁部において前記インペラーに形成されていて前記１次マルチせん断噴流をさらにせん断衝突させて２次マルチせん断噴流を生成する環状せん断壁部材と、
   前記環状せん断壁部材の周方向に所定間隔で径方向に形成されていて、前記２次マルチせん断噴流を前記インペラーの外周に隣接して存在している前記被処理流動体中にせん断しながら噴出・混合させる複数の放射方向せん断ノズルと、
   を備えることを特徴とするキャビテーションせん断装置。
2. 前記環状せん断壁部材が、前記複数の複合高速噴流発生ブレードの外周縁に形成された第１せん断環状壁部と、前記インペラーの外周縁に形成された第２せん断環状壁部と、前記第１せん断環状壁部と前記第２せん断環状壁部との間に形成されていて、前記１次多段せん断処理噴流を周方向に高速移動させながらせん断する環状せん断チャンバとを備えることを特徴とする請求項１に記載のキャビテーションせん断装置。
3. 前記第１せん断環状壁部が、周方向に分離形成されていて前記環状せん断チャンバに開口する複数の径方向噴射せん断ノズルと、前記複数の径方向噴射せん断ノズルに隣接した位置において前記第１せん断環状壁部の外周に形成された複数のせん断突起を備え、前記第２せん断環状壁部が周方向に分離形成されていて前記環状せん断チャンバに開口する複数の径方向噴射せん断ノズルと、前記複数の径方向噴射せん断ノズルに隣接した位置において前記第２せん断環状壁部の内周に形成された複数のせん断突起を備えることを特徴とする請求項２に記載のキャビテーションせん断装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のキャビテーションせん断装置と、
   被処理流体と被処理原料との被処理流動体を前記キャビテーションせん断装置に供給する被処理流動体供給部と、を備え、
   前記キャビテーションせん断装置が前記被処理流動体に遠心力を作用させながら放射方向高速噴流を生成するとともに、前記放射方向高速噴流の一部を周方向に噴出させて周方向高速噴流を生成し、前記放射方向高速噴流及び前記周方向高速噴流を多段階に衝突・せん断させて前記被処理流動体を混合攪拌することを特徴とするキャビテーションせん断混合システム。

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